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在过去的十年里,表面等离激元由于其自身特性,使得人们可以突破光学衍射极限,利用金属纳米结构可以在纳米尺寸上对光进行操控,从而引起了人们的广泛兴趣和关注。由此,一个崭新的研究领域——表面等离激元光学诞生了。这一新的研究领域正日益渗透到各个学科和交叉领域并给他们带来新的机遇,它们包括;计算机和集成电路、互联网、生物医药、材料科学、物理、化学、光学等等。这些技术的发展将给世界的科技和人类的生活带来深刻的变化。
本论文针对量子阱红外探测器量子效率较低的问题,围绕利用表面等离激元提高量子阱红外探测器的性能,研究入射光与表面等离激元的耦合问题,以及表面等离激元之间的耦合问题。在此基础上,对量子阱红外探测器的各种光耦合结构进行详细研究,设计基于表面等离激元的量子阱红外探测器光电耦合结构并对其性能做详细的分析。具体内容如下:
1.研究了入射光与表面等离激元的耦合问题,发现通过引入布拉格反射光栅、表面修饰、多槽相长干涉等手段可以大大提高入射光到表面等离激元的耦合效率。在此基础上,设计了一种低噪声、高效率、单向性、与半导体工艺相兼容的表面等离激元耦合发射源。这种耦合结构不仅对量子阱红外探测器光耦合结构设计有指导作用,还可以作为集成光电子器件的表面等离激元的光源使用。
2.基于双层金属纳米孔阵薄膜,研究了表面等离激元层间耦合问题。通过对透射峰值的指认,发现表面等离激元层间耦合会导致模式分裂,形成“分子成键态”和“反键态”,从而提供新的透射通道。表面等离激元的层间耦合效应为量子阱红外探测器光耦合提供了新途径。
3.系统地研究了量子阱红外探测器的光栅耦合问题。从介质光栅出发,对影响光栅性能参数进行研究并建立模型。在此基础上,对金属背反射光栅结构进行了优化设计和分析,发现光栅结构参数的最优值与传统设计规则不符,建立模型并对该现象进行了解释,在此基础上提出了自己的设计规则。
4.研究了表面等离激元光栅和量子阱的耦合问题。发现当光栅的刻槽宽度和周期选取合适时,表面等离激元可沿着金属光栅表面传播。光栅的上下表面形成一个的表面等离激元腔模,大大提高了入射光到表面等离激元的耦合效率。在表面等离激元腔模的位置可以有效地实现表面等离激元和量子阱之间的耦合。
5.提出了量子阱红外探测器金属人工结构的光耦合新概念、新机理。对周期金属人工结构.介质层.金属反射层三明治的耦合结构的特性做了详细研究。发现入射光在介质层中耦合产生左行和右行的表面等离激元波,形成一系列的表面等离激元驻波模式。通过调整结构参数可以使得这些驻波模型对特定入射光波长有着几乎100％的耦合效率。入射光进入介质层后,往返振荡被量子阱吸收,从而大大提高了量子阱红外探测器的量子效率。这种新型光耦结构对量子阱红外探测器有着极大应用前景。